船舶操纵课件-第1章船舶操纵基础理论.ppt

洪碧光大 连 海 事 大 学第一章第一章 船舶操纵性基础船舶操纵性基础一、船舶操纵性指数一、船舶操纵性指数一、船舶操纵性指数一、船舶操纵性指数K K、T T二、船舶操纵性与指数二、船舶操纵性与指数二、船舶操纵性与指数二、船舶操纵性与指数K K、T T的关系的关系的关系的关系三、影响三、影响三、影响三、影响K K、T T指数的因素指数的因素指数的因素指数的因素四、四、四、四、K K、T T指数的应用指数的应用指数的应用指数的应用第五节第五节 船舶操纵性指数船舶操纵性指数 1943年，英国人年，英国人Kempf在在1943年首先提出一种衡量船舶机动年首先提出一种衡量船舶机动性能的试验方法。性能的试验方法。1957年以来野本谦作和诺宾发展了一种对年以来野本谦作和诺宾发展了一种对Z形实形实验结果进行理论分析的新方法验结果进行理论分析的新方法-K、T分析法。受到了广泛的重分析法。受到了广泛的重视和应用。视和应用。野本认为船舶的受控运动基本上是一个质量很大的物体在舵的野本认为船舶的受控运动基本上是一个质量很大的物体在舵的作用下进行的一种缓慢的转艏运动。他略去了船舶回转角速度的高作用下进行的一种缓慢的转艏运动。他略去了船舶回转角速度的高阶影响，用下列数学模型来描述船舶运动：阶影响，用下列数学模型来描述船舶运动：一船舶操纵性指数一船舶操纵性指数K K、T T式中：式中：I 为船舶回转惯性力矩系数；为船舶回转惯性力矩系数；N 为船舶回转中所受的阻尼力矩系数；为船舶回转中所受的阻尼力矩系数；C 为舵产生的回转力矩系数。为舵产生的回转力矩系数。将上式两端同乘以将上式两端同乘以1/N，得：，得：我们设我们设T=I/N，K=C/N，代入上式，得：，代入上式，得：即一阶船舶操纵运动方程。野本认为即一阶船舶操纵运动方程。野本认为K、T表征船舶操纵性的特表征船舶操纵性的特征参数。征参数。一船舶操纵性指数一船舶操纵性指数K K、T T1.指数指数K、T的物理意义的物理意义 （1）力学意义）力学意义 由由T=I/N可见：参数可见：参数T是惯性力矩与阻尼力矩之比，是惯性力矩与阻尼力矩之比，T值越大，值越大，表示船舶惯性大而阻尼力矩小；反之，表示船舶惯性大而阻尼力矩小；反之，T值越小，表示船舶惯性小而值越小，表示船舶惯性小而阻尼力矩大。阻尼力矩大。由由K=C/N可见：参数可见：参数K是舵产生的回转力矩与阻尼力矩之比，是舵产生的回转力矩与阻尼力矩之比，K值越大，表示舵产生的回转力矩大而阻尼力矩小；反之，值越大，表示舵产生的回转力矩大而阻尼力矩小；反之，K值越小，值越小，表示舵产生的回转力矩小而阻尼力矩大。表示舵产生的回转力矩小而阻尼力矩大。为了提高船舶的操纵性，我们总希望它惯性尽可能小，而舵产生为了提高船舶的操纵性，我们总希望它惯性尽可能小，而舵产生的回转力矩尽可能大，也就是希望的回转力矩尽可能大，也就是希望T尽量小，尽量小，K尽量大。尽量大。一船舶操纵性指数一船舶操纵性指数K K、T T1.指数指数K、T的物理意义的物理意义 （2）运动学意义）运动学意义 按给定的初始条件：按给定的初始条件：t=0，r=0，可以求解上述方程式，得到，可以求解上述方程式，得到船舶转向角速度的表达式：船舶转向角速度的表达式：对于具有航向稳定性的船舶，对于具有航向稳定性的船舶，T0，T绝对值越小，随着绝对值越小，随着t的增的增大，大，e-t/T将衰减得越快。将衰减得越快。对于不具有航向稳定性的船舶，对于不具有航向稳定性的船舶，T0，随着，随着t的增大，的增大，e-t/T将将不衰减，也就是说，船舶将继续旋转。不衰减，也就是说，船舶将继续旋转。一船舶操纵性指数一船舶操纵性指数K K、T T T 的运动学意义为：是系统的时间常数，它的符号决定了运动的运动学意义为：是系统的时间常数，它的符号决定了运动的稳定性，它的大小决定了船舶达到定常旋回角速度的时间，其因的稳定性，它的大小决定了船舶达到定常旋回角速度的时间，其因次为次为sec。对于具有航向稳定性的船舶，对于具有航向稳定性的船舶，t时，时，r=K，K值越大，值越大，r越越大。大。K 的运动学意义为：船舶受单位持续舵角作用下产生的最终旋的运动学意义为：船舶受单位持续舵角作用下产生的最终旋回角速度，其因次为回角速度，其因次为1/sec。一船舶操纵性指数一船舶操纵性指数K K、T T2.指数指数K、T的无因次化及其量值的无因次化及其量值 （1）K、T的无因次化的无因次化 目前，目前，K、T指数被广泛用来评价船舶的操纵性能。除了上述有指数被广泛用来评价船舶的操纵性能。除了上述有因次的形式以外，为了便于比较，还可以使用无因次值因次的形式以外，为了便于比较，还可以使用无因次值K、T，其，其定义为：定义为：一船舶操纵性指数一船舶操纵性指数K K、T T2.指数指数K、T的无因次化及其量值的无因次化及其量值 （1）K、T的无因次化的无因次化 诺宾在此基础上进一步建议用机动性参数诺宾在此基础上进一步建议用机动性参数P来衡量船舶的机动来衡量船舶的机动性，性，P定义为：定义为：分析上述一阶操纵运动方程的解，可以看出：分析上述一阶操纵运动方程的解，可以看出：P 值实际上是在操值实际上是在操单位舵角后，船舶航行一个船长距离时，按一阶模拟得到的航向角的单位舵角后，船舶航行一个船长距离时，按一阶模拟得到的航向角的变化值。有的资料上称变化值。有的资料上称 P 为为“舵效指数舵效指数”一船舶操纵性指数一船舶操纵性指数K K、T T2.指数指数K、T的无因次化及其量值的无因次化及其量值 （1）K、T的无因次化的无因次化 对对e-1/T展开成幂级数，则可得展开成幂级数，则可得 可见，舵效指数可见，舵效指数 P 与与K、T的比值有关。的比值有关。一船舶操纵性指数一船舶操纵性指数K K、T T2.指数指数K、T的无因次化及其量值的无因次化及其量值 （2）K、T 的量值的量值 K 、T 的值是通过的值是通过Z形实验求得的。有形实验求得的。有10、15、20度等几度等几种实验。一般取种实验。一般取10度实验结果为标准。度实验结果为标准。对于一般船舶的操纵性能，对于一般船舶的操纵性能，K、T在下列范围内：在下列范围内：满载货轮（满载货轮（L=100160m）K=1.52.0 T=1.52.5满载油轮（满载油轮（L=150250m）K=1.73.0 T=3.06.0 一船舶操纵性指数一船舶操纵性指数K K、T T 根据根据K、T指数，船舶旋回性可分为四种模式：如图所示。指数，船舶旋回性可分为四种模式：如图所示。二船舶操纵性与指数二船舶操纵性与指数K、T的关系的关系 T大，大，K小小T大，大，K大大T小，小，K小小T小，小，K大大横距横距纵距纵距 船舶操纵性能指数船舶操纵性能指数K、T值，将随舵角、吃水、吃水差、水深与值，将随舵角、吃水、吃水差、水深与吃水之比、船体水下线型等因素的变化而变化，且其规律较为复杂，吃水之比、船体水下线型等因素的变化而变化，且其规律较为复杂，但总体来讲，有如下关系但总体来讲，有如下关系1.舵角增加：舵角增加：K、T同时减小；同时减小；2.吃水增加：吃水增加：K、T同时增大；同时增大；3.尾倾增加：尾倾增加：K、T同时减小；同时减小；4.水深变浅：水深变浅：K、T同时减小；同时减小；5.船型越肥大：船型越肥大：K、T同时增大同时增大 三影响三影响K、T指数的因素指数的因素 可见，船舶的操纵性指数可见，船舶的操纵性指数K、T值是同时减小或同时增大的，即值是同时减小或同时增大的，即提高船舶旋回性的结果将使其追随性受到某种程度的降低，而追随性提高船舶旋回性的结果将使其追随性受到某种程度的降低，而追随性的改善又将导致船舶旋回性的某些降低。值得注意的是，当舵角增加的改善又将导致船舶旋回性的某些降低。值得注意的是，当舵角增加时，时，K/、T/值同时减小，但值同时减小，但T/值减小的幅度要比值减小的幅度要比K/值减小的幅度大，值减小的幅度大，因此船舶的舵效反而变好。因此船舶的舵效反而变好。三影响三影响K、T指数的因素指数的因素 1.旋回滞后距离旋回滞后距离Dr的估算的估算 直航船从操满舵开始到航向开始直航船从操满舵开始到航向开始改变之前船舶前进的距离，称为旋回改变之前船舶前进的距离，称为旋回滞后距离，用滞后距离，用Dr表示。表示。其值求取用下式计算：其值求取用下式计算：其中：其中：t1转舵时间转舵时间 一般将一般将T+t1/2称为旋回滞后时间。称为旋回滞后时间。当当T增大时，增大时，Dr随之增大；随之增大；t1增大时，增大时，Dr也随之增大。也随之增大。四四K、T指数的应用指数的应用 ACDr2.新航向距离新航向距离AC的估算的估算 直航船舶操舵后，航向改变量直航船舶操舵后，航向改变量为为时，转舵开始到新航向与原航时，转舵开始到新航向与原航向之交点的距离称为新航向距离向之交点的距离称为新航向距离AC。其值求取用下式计算：其值求取用下式计算：其中：其中：舵角舵角(弧度弧度)K旋回性指数，其他符号同前。旋回性指数，其他符号同前。当当K增大时，增大时，AC随之降低。随之降低。四四K、T指数的应用指数的应用 ACDr3.转向惯性角转向惯性角的估算的估算 直航船舶操舵后，当达到一定的角速度直航船舶操舵后，当达到一定的角速度rc时，操正舵，船舶继续时，操正舵，船舶继续旋转的航向角，称为转向惯性角旋转的航向角，称为转向惯性角。其值求取用下式计算：其值求取用下式计算：=rc T 可见，当可见，当T增大时，增大时，随之增大。随之增大。四四K、T指数的应用指数的应用 4.定常旋回直径定常旋回直径D的估算的估算 其值求取用下式计算：其值求取用下式计算：可见，当可见，当T增大时，增大时，随之增大。可见，随之增大。可见，D与与K成反比。成反比。四四K、T指数的应用指数的应用 引引引引 言言言言一、试验条件一、试验条件一、试验条件一、试验条件二、观测与记录二、观测与记录二、观测与记录二、观测与记录三、旋回试验三、旋回试验三、旋回试验三、旋回试验四、四、四、四、Z Z Z Z形操纵试验形操纵试验形操纵试验形操纵试验五、螺旋试验五、螺旋试验五、螺旋试验五、螺旋试验六、停船试验六、停船试验六、停船试验六、停船试验第六节第六节 船舶操纵性能试验知识船舶操纵性能试验知识 利用船舶操纵运动方程分析船舶的运动的优点在于能建立水动利用船舶操纵运动方程分析船舶的运动的优点在于能建立水动利用船舶操纵运动方程分析船舶的运动的优点在于能建立水动利用船舶操纵运动方程分析船舶的运动的优点在于能建立水动力与各种特征参数的直接关系，及运动状态随时间的变化规律。但力与各种特征参数的直接关系，及运动状态随时间的变化规律。但力与各种特征参数的直接关系，及运动状态随时间的变化规律。但力与各种特征参数的直接关系，及运动状态随时间的变化规律。但这种方法还很不完善，在研究具体问题时，为了研究上的方便，不这种方法还很不完善，在研究具体问题时，为了研究上的方便，不这种方法还很不完善，在研究具体问题时，为了研究上的方便，不这种方法还很不完善，在研究具体问题时，为了研究上的方便，不可避免地进行了某些假设，因此，研究结果只能是近似的，而近似可避免地进行了某些假设，因此，研究结果只能是近似的，而近似可避免地进行了某些假设，因此，研究结果只能是近似的，而近似可避免地进行了某些假设，因此，研究结果只能是近似的，而近似程度如何，它自己不能证实。为了弥补这一缺陷，人们一直在开展程度如何，它自己不能证实。为了弥补这一缺陷，人们一直在开展程度如何，它自己不能证实。为了弥补这一缺陷，人们一直在开展程度如何，它自己不能证实。为了弥补这一缺陷，人们一直在开展实验研究。实验研究。实验研究。实验研究。由于实际船舶操纵的情况千变万化，不可能一一进行试验，由于实际船舶操纵的情况千变万化，不可能一一进行试验，由于实际船舶操纵的情况千变万化，不可能一一进行试验，由于实际船舶操纵的情况千变万化，不可能一一进行试验，只能规定一些比较典型的船舶操纵性试验。这些试验满足下列要求：只能规定一些比较典型的船舶操纵性试验。这些试验满足下列要求：只能规定一些比较典型的船舶操纵性试验。这些试验满足下列要求：只能规定一些比较典型的船舶操纵性试验。这些试验满足下列要求：引引 言言 (1)(1)应具有普遍的意义和实际意义；应具有普遍的意义和实际意义；应具有普遍的意义和实际意义；应具有普遍的意义和实际意义；(2)(2)便于理论分析；便于理论分析；便于理论分析；便于理论分析；(3)(3)便于直接观测，减小场地和设备的要求等。便于直接观测，减小场地和设备的要求等。便于直接观测，减小场地和设备的要求等。便于直接观测，减小场地和设备的要求等。由于船舶固有的操纵性指标与船舶的使用有关，因此一般都对由于船舶固有的操纵性指标与船舶的使用有关，因此一般都对由于船舶固有的操纵性指标与船舶的使用有关，因此一般都对由于船舶固有的操纵性指标与船舶的使用有关，因此一般都对船舶操纵性的试验项目有规定。目前常用的试验包括：旋回船舶操纵性的试验项目有规定。目前常用的试验包括：旋回船舶操纵性的试验项目有规定。目前常用的试验包括：旋回船舶操纵性的试验项目有规定。目前常用的试验包括：旋回试验、回舵试验、试验、回舵试验、试验、回舵试验、试验、回舵试验、Z Z形试验、螺旋试验或逆螺旋试验、制动试形试验、螺旋试验或逆螺旋试验、制动试形试验、螺旋试验或逆螺旋试验、制动试形试验、螺旋试验或逆螺旋试验、制动试验等。验等。验等。验等。IMOIMO标准对上述试验做出了具体规定。标准对上述试验做出了具体规定。标准对上述试验做出了具体规定。标准对上述试验做出了具体规定。引引 言言 船舶操纵性能受水深、水域宽度、气象条件、水文条件等诸多船舶操纵性能受水深、水域宽度、气象条件、水文条件等诸多船舶操纵性能受水深、水域宽度、气象条件、水文条件等诸多船舶操纵性能受水深、水域宽度、气象条件、水文条件等诸多因素的影响，所以为了使实船试验结果具有普遍意义，需要对试验因素的影响，所以为了使实船试验结果具有普遍意义，需要对试验因素的影响，所以为了使实船试验结果具有普遍意义，需要对试验因素的影响，所以为了使实船试验结果具有普遍意义，需要对试验条件做出规定。条件做出规定。条件做出规定。条件做出规定。IMOIMO安全委员会在安全委员会在安全委员会在安全委员会在MSC/Circ.644MSC/Circ.644中作出了详细规中作出了详细规中作出了详细规中作出了详细规定。定。定。定。1.1.水深、水域宽度水深、水域宽度水深、水域宽度水深、水域宽度 应在深水、宽度不受限制、但遮蔽条件较好的水域进行标准操应在深水、宽度不受限制、但遮蔽条件较好的水域进行标准操应在深水、宽度不受限制、但遮蔽条件较好的水域进行标准操应在深水、宽度不受限制、但遮蔽条件较好的水域进行标准操纵性试验，其水深应大于纵性试验，其水深应大于纵性试验，其水深应大于纵性试验，其水深应大于4 4倍的船舶平均吃水。倍的船舶平均吃水。倍的船舶平均吃水。倍的船舶平均吃水。2.2.船舶载况和吃水差船舶载况和吃水差船舶载况和吃水差船舶载况和吃水差 船舶应在满载船舶应在满载船舶应在满载船舶应在满载(达到夏季吃水达到夏季吃水达到夏季吃水达到夏季吃水)、平吃水、平吃水、平吃水、平吃水(吃水差为吃水差为吃水差为吃水差为0)0)的条件下进的条件下进的条件下进的条件下进行试验。即确保螺旋桨有足够的沉深。行试验。即确保螺旋桨有足够的沉深。行试验。即确保螺旋桨有足够的沉深。行试验。即确保螺旋桨有足够的沉深。一、试验条件一、试验条件 3.3.气象与海浪气象与海浪气象与海浪气象与海浪 应尽可能在比较平静的水域进行试验，具体规定如下应尽可能在比较平静的水域进行试验，具体规定如下应尽可能在比较平静的水域进行试验，具体规定如下应尽可能在比较平静的水域进行试验，具体规定如下 (1)(1)风力不超过蒲氏风力不超过蒲氏风力不超过蒲氏风力不超过蒲氏5 5级级级级 (2)(2)海浪不超过海浪不超过海浪不超过海浪不超过4 4级级级级 (3)(3)流场比较均匀流场比较均匀流场比较均匀流场比较均匀 4.4.试验船速试验船速试验船速试验船速 标准对实船试验中的最小船速的规定为：应达到船舶海上速度标准对实船试验中的最小船速的规定为：应达到船舶海上速度标准对实船试验中的最小船速的规定为：应达到船舶海上速度标准对实船试验中的最小船速的规定为：应达到船舶海上速度的的的的85%85%，主机功率达到最大输出功率的，主机功率达到最大输出功率的，主机功率达到最大输出功率的，主机功率达到最大输出功率的90%90%。一、试验条件一、试验条件 1.1.试验观测手段试验观测手段试验观测手段试验观测手段 随着测量技术的发展，传统方法基本上被淘汰了。目前的观测随着测量技术的发展，传统方法基本上被淘汰了。目前的观测随着测量技术的发展，传统方法基本上被淘汰了。目前的观测随着测量技术的发展，传统方法基本上被淘汰了。目前的观测位置的手段主要采用差分位置的手段主要采用差分位置的手段主要采用差分位置的手段主要采用差分GPS(DGPS)GPS(DGPS)，观测方向的手段采用罗经，观测方向的手段采用罗经，观测方向的手段采用罗经，观测方向的手段采用罗经或姿态测量仪等。随着计算机的发展，实船试验测量获得的数据可或姿态测量仪等。随着计算机的发展，实船试验测量获得的数据可或姿态测量仪等。随着计算机的发展，实船试验测量获得的数据可或姿态测量仪等。随着计算机的发展，实船试验测量获得的数据可以进行自动处理。以进行自动处理。以进行自动处理。以进行自动处理。2.2.记录内容记录内容记录内容记录内容 每次船舶操纵性试验，都要求对有关的实验条件、试验观测数每次船舶操纵性试验，都要求对有关的实验条件、试验观测数每次船舶操纵性试验，都要求对有关的实验条件、试验观测数每次船舶操纵性试验，都要求对有关的实验条件、试验观测数据进行记录，这些条件和数据包括：据进行记录，这些条件和数据包括：据进行记录，这些条件和数据包括：据进行记录，这些条件和数据包括：二、观测与记录二、观测与记录(1)(1)船舶数据船舶数据船舶数据船舶数据 试验之前，要记录船舶首、尾吃水，以便计算船舶平均吃水、试验之前，要记录船舶首、尾吃水，以便计算船舶平均吃水、试验之前，要记录船舶首、尾吃水，以便计算船舶平均吃水、试验之前，要记录船舶首、尾吃水，以便计算船舶平均吃水、排水量和船舶纵向重心位置等。此外，还要记录试验的地理位置、排水量和船舶纵向重心位置等。此外，还要记录试验的地理位置、排水量和船舶纵向重心位置等。此外，还要记录试验的地理位置、排水量和船舶纵向重心位置等。此外，还要记录试验的地理位置、试验水域情况等。还要记录船舶的螺旋桨、舵以及侧推器的特性及试验水域情况等。还要记录船舶的螺旋桨、舵以及侧推器的特性及试验水域情况等。还要记录船舶的螺旋桨、舵以及侧推器的特性及试验水域情况等。还要记录船舶的螺旋桨、舵以及侧推器的特性及运行情况运行情况运行情况运行情况 (2)(2)环境数据环境数据环境数据环境数据 环境条件记录的内容包括：水深、波浪环境条件记录的内容包括：水深、波浪环境条件记录的内容包括：水深、波浪环境条件记录的内容包括：水深、波浪(浪级，涌浪的周期及浪级，涌浪的周期及浪级，涌浪的周期及浪级，涌浪的周期及方向方向方向方向)、海流、能见度以及其他气象、水文情况、海流、能见度以及其他气象、水文情况、海流、能见度以及其他气象、水文情况、海流、能见度以及其他气象、水文情况 二、观测与记录二、观测与记录(3)(3)试验数据试验数据试验数据试验数据 应对有关试验的数据进行观测，并以每次不超过应对有关试验的数据进行观测，并以每次不超过应对有关试验的数据进行观测，并以每次不超过应对有关试验的数据进行观测，并以每次不超过2020秒的间隔秒的间隔秒的间隔秒的间隔进行记录，这些数据包括：位置、航向、船速、舵角及转舵速率、进行记录，这些数据包括：位置、航向、船速、舵角及转舵速率、进行记录，这些数据包括：位置、航向、船速、舵角及转舵速率、进行记录，这些数据包括：位置、航向、船速、舵角及转舵速率、螺旋桨转速、螺旋桨螺距以及风速等。试验中还要对每次记录发出螺旋桨转速、螺旋桨螺距以及风速等。试验中还要对每次记录发出螺旋桨转速、螺旋桨螺距以及风速等。试验中还要对每次记录发出螺旋桨转速、螺旋桨螺距以及风速等。试验中还要对每次记录发出的时间信号进行记录的时间信号进行记录的时间信号进行记录的时间信号进行记录 二、观测与记录二、观测与记录 旋回试验是指在试验船速直航条件下，操左旋回试验是指在试验船速直航条件下，操左旋回试验是指在试验船速直航条件下，操左旋回试验是指在试验船速直航条件下，操左3535舵角和右舵角和右舵角和右舵角和右3535舵角或设计最大舵角并保持之，使船舶进行左、右旋回运动的试验。舵角或设计最大舵角并保持之，使船舶进行左、右旋回运动的试验。舵角或设计最大舵角并保持之，使船舶进行左、右旋回运动的试验。舵角或设计最大舵角并保持之，使船舶进行左、右旋回运动的试验。1.1.试验方法试验方法试验方法试验方法 (1)(1)保持船舶直线定常航速；保持船舶直线定常航速；保持船舶直线定常航速；保持船舶直线定常航速；(2)(2)旋回之前一个船长时，记录初始船速、航向角、及推进器旋回之前一个船长时，记录初始船速、航向角、及推进器旋回之前一个船长时，记录初始船速、航向角、及推进器旋回之前一个船长时，记录初始船速、航向角、及推进器转速等；转速等；转速等；转速等；三、三、旋回试验旋回试验(Turning Test)1.1.试验方法试验方法试验方法试验方法 (3)(3)发令，迅速转舵到指定的舵角，并维持该舵角；发令，迅速转舵到指定的舵角，并维持该舵角；发令，迅速转舵到指定的舵角，并维持该舵角；发令，迅速转舵到指定的舵角，并维持该舵角；(4)(4)随着船舶的转向，每隔不超过随着船舶的转向，每隔不超过随着船舶的转向，每隔不超过随着船舶的转向，每隔不超过2020秒的时间间隔，记录轨迹、秒的时间间隔，记录轨迹、秒的时间间隔，记录轨迹、秒的时间间隔，记录轨迹、航速、横倾角、及螺旋桨转数等数据。航速、横倾角、及螺旋桨转数等数据。航速、横倾角、及螺旋桨转数等数据。航速、横倾角、及螺旋桨转数等数据。(5)(5)在整个船舶旋回中，保持各种控制不变，直至船舶旋回在整个船舶旋回中，保持各种控制不变，直至船舶旋回在整个船舶旋回中，保持各种控制不变，直至船舶旋回在整个船舶旋回中，保持各种控制不变，直至船舶旋回360360度以上，可结束一次试验。度以上，可结束一次试验。度以上，可结束一次试验。度以上，可结束一次试验。三、三、旋回试验旋回试验(Turning Test)2.2.旋回圈及特征参数旋回圈及特征参数旋回圈及特征参数旋回圈及特征参数 在旋回试验中，船舶重心所描绘的轨迹称为旋回圈。旋回圈是在旋回试验中，船舶重心所描绘的轨迹称为旋回圈。旋回圈是在旋回试验中，船舶重心所描绘的轨迹称为旋回圈。旋回圈是在旋回试验中，船舶重心所描绘的轨迹称为旋回圈。旋回圈是表示船舶旋回性能的重要指标。旋回圈越小，旋回性能越好表示船舶旋回性能的重要指标。旋回圈越小，旋回性能越好表示船舶旋回性能的重要指标。旋回圈越小，旋回性能越好表示船舶旋回性能的重要指标。旋回圈越小，旋回性能越好 三、三、旋回试验旋回试验(Turning Test)Z Z形操纵试验是一种评价船舶偏转抑制性能的试验，同时，可形操纵试验是一种评价船舶偏转抑制性能的试验，同时，可形操纵试验是一种评价船舶偏转抑制性能的试验，同时，可形操纵试验是一种评价船舶偏转抑制性能的试验，同时，可通过通过通过通过Z Z形操纵试验结果求取操纵性指数形操纵试验结果求取操纵性指数形操纵试验结果求取操纵性指数形操纵试验结果求取操纵性指数K K、T T。1.1.试验方法试验方法试验方法试验方法 以以以以10/10(10/10(分子表示舵角，分母表示进行反向操舵时的航向分子表示舵角，分母表示进行反向操舵时的航向分子表示舵角，分母表示进行反向操舵时的航向分子表示舵角，分母表示进行反向操舵时的航向角角角角)Z)Z形操纵试验为例，试验方法简述如下形操纵试验为例，试验方法简述如下形操纵试验为例，试验方法简述如下形操纵试验为例，试验方法简述如下 (1)(1)保持船舶直线定常航速；发令之前记录初始船速、航向角、保持船舶直线定常航速；发令之前记录初始船速、航向角、保持船舶直线定常航速；发令之前记录初始船速、航向角、保持船舶直线定常航速；发令之前记录初始船速、航向角、及推进器转速等；及推进器转速等；及推进器转速等；及推进器转速等；(2)(2)发令，迅速转右舵到指定的舵角发令，迅速转右舵到指定的舵角发令，迅速转右舵到指定的舵角发令，迅速转右舵到指定的舵角(10)(10)，并维持该舵角，并维持该舵角，并维持该舵角，并维持该舵角 四、四、Z形操纵试验形操纵试验(Zig-zag tests)1.1.试验方法试验方法试验方法试验方法 (3)(3)发令，迅速转右舵到指定的舵角发令，迅速转右舵到指定的舵角发令，迅速转右舵到指定的舵角发令，迅速转右舵到指定的舵角(10)(10)，并维持该舵角；，并维持该舵角；，并维持该舵角；，并维持该舵角；(4)(4)船舶开始右转，当船舶航向改变量与所操舵角相等时，迅船舶开始右转，当船舶航向改变量与所操舵角相等时，迅船舶开始右转，当船舶航向改变量与所操舵角相等时，迅船舶开始右转，当船舶航向改变量与所操舵角相等时，迅速转左舵到指定的舵角速转左舵到指定的舵角速转左舵到指定的舵角速转左舵到指定的舵角(10)(10)，并维持该舵角；，并维持该舵角；，并维持该舵角；，并维持该舵角；(5)(5)当船舶向左航向改变量与所操左舵角相等时，迅速转右舵当船舶向左航向改变量与所操左舵角相等时，迅速转右舵当船舶向左航向改变量与所操左舵角相等时，迅速转右舵当船舶向左航向改变量与所操左舵角相等时，迅速转右舵到指定的舵角到指定的舵角到指定的舵角到指定的舵角(10(10或或或或20)20)，并维持该舵角；，并维持该舵角；，并维持该舵角；，并维持该舵角；(6)(6)如此反复进行，操舵达如此反复进行，操舵达如此反复进行，操舵达如此反复进行，操舵达5 5次时，可结束一次试验。次时，可结束一次试验。次时，可结束一次试验。次时，可结束一次试验。四、四、Z形操纵试验形操纵试验(Zig-zag tests)2.2.特征参数特征参数特征参数特征参数 Z Z形操纵试验结果可以下图形式表示。其纵坐标为航向角或舵角，形操纵试验结果可以下图形式表示。其纵坐标为航向角或舵角，形操纵试验结果可以下图形式表示。其纵坐标为航向角或舵角，形操纵试验结果可以下图形式表示。其纵坐标为航向角或舵角，横坐标为时间。从图中可直接给出下列特征参数：横坐标为时间。从图中可直接给出下列特征参数：横坐标为时间。从图中可直接给出下列特征参数：横坐标为时间。从图中可直接给出下列特征参数：四、四、Z形操纵试验形操纵试验(Zig-zag tests)First Overshoot AngleZ Z形操纵试验结果形操纵试验结果Second Overshoot Angle2.2.特征参数特征参数特征参数特征参数 (1)(1)航向超越角航向超越角航向超越角航向超越角(Overshoot Angle)(Overshoot Angle)航向超越角指每次进行反向操舵后，船首向向操舵相反一侧继航向超越角指每次进行反向操舵后，船首向向操舵相反一侧继航向超越角指每次进行反向操舵后，船首向向操舵相反一侧继航向超越角指每次进行反向操舵后，船首向向操舵相反一侧继续转动的增加值。可见，航向超越角是从航向变化量方面对船舶转续转动的增加值。可见，航向超越角是从航向变化量方面对船舶转续转动的增加值。可见，航向超越角是从航向变化量方面对船舶转续转动的增加值。可见，航向超越角是从航向变化量方面对船舶转动惯性的一种度量。超越角越大，船舶转动惯性越大。一般用第一动惯性的一种度量。超越角越大，船舶转动惯性越大。一般用第一动惯性的一种度量。超越角越大，船舶转动惯性越大。一般用第一动惯性的一种度量。超越角越大，船舶转动惯性越大。一般用第一超越角和第二超越角作为衡量船舶惯性的参数。超越角和第二超越角作为衡量船舶惯性的参数。超越角和第二超越角作为衡量船舶惯性的参数。超越角和第二超越角作为衡量船舶惯性的参数。(2)(2)航向超越时间航向超越时间航向超越时间航向超越时间(Overshoot Time)(Overshoot Time)航向超越时间指每次进行反向操舵时刻起至船首向开始向操舵航向超越时间指每次进行反向操舵时刻起至船首向开始向操舵航向超越时间指每次进行反向操舵时刻起至船首向开始向操舵航向超越时间指每次进行反向操舵时刻起至船首向开始向操舵一侧转动的时刻之间的时间间隔。航向超越时间是从时间方面对船一侧转动的时刻之间的时间间隔。航向超越时间是从时间方面对船一侧转动的时刻之间的时间间隔。航向超越时间是从时间方面对船一侧转动的时刻之间的时间间隔。航向超越时间是从时间方面对船舶转动惯性的一种度量。超越时间越长，船舶转动惯性越大。一般舶转动惯性的一种度量。超越时间越长，船舶转动惯性越大。一般舶转动惯性的一种度量。超越时间越长，船舶转动惯性越大。一般舶转动惯性的一种度量。超越时间越长，船舶转动惯性越大。一般用第一超越时间和第二超越时间作为衡量船舶惯性的参数。用第一超越时间和第二超越时间作为衡量船舶惯性的参数。用第一超越时间和第二超越时间作为衡量船舶惯性的参数。用第一超越时间和第二超越时间作为衡量船舶惯性的参数。四、四、Z形操纵试验形操纵试验(Zig-zag tests)由于船舶在海上不断遇到的干扰作用，因此，不能用直接试验由于船舶在海上不断遇到的干扰作用，因此，不能用直接试验由于船舶在海上不断遇到的干扰作用，因此，不能用直接试验由于船舶在海上不断遇到的干扰作用，因此，不能用直接试验方法测定船舶的航向稳定性和旋回运动稳定性，必须用间接的试验方法测定船舶的航向稳定性和旋回运动稳定性，必须用间接的试验方法测定船舶的航向稳定性和旋回运动稳定性，必须用间接的试验方法测定船舶的航向稳定性和旋回运动稳定性，必须用间接的试验方法，既螺旋试验，它是由迪德在方法，既螺旋试验，它是由迪德在方法，既螺旋试验，它是由迪德在方法，既螺旋试验，它是由迪德在2020世纪世纪世纪世纪4040年代提出的。其目的年代提出的。其目的年代提出的。其目的年代提出的。其目的是评价船舶的航向稳定性和旋回稳定性。是评价船舶的航向稳定性和旋回稳定性。是评价船舶的航向稳定性和旋回稳定性。是评价船舶的航向稳定性和旋回稳定性。1.1.试验方法试验方法试验方法试验方法 (1)(1)保持船舶直线定常航速，操舵开始前，记录初始船速、航保持船舶直线定常航速，操舵开始前，记录初始船速、航保持船舶直线定常航速，操舵开始前，记录初始船速、航保持船舶直线定常航速，操舵开始前，记录初始船速、航向角、及推进器转速等；向角、及推进器转速等；向角、及推进器转速等；向角、及推进器转速等；(2)(2)发令，迅速转舵到一舷指定的舵角，并保持该舵角，使船发令，迅速转舵到一舷指定的舵角，并保持该舵角，使船发令，迅速转舵到一舷指定的舵角，并保持该舵角，使船发令，迅速转舵到一舷指定的舵角，并保持该舵角，使船舶进入旋回状态；舶进入旋回状态；舶进入旋回状态；舶进入旋回状态；五、螺旋试验五、螺旋试验(Spiral Manoeuvres)(3)(3)待旋回角速度达到定常值时，记录相应的角速度待旋回角速度达到定常值时，记录相应的角速度待旋回角速度达到定常值时，记录相应的角速度待旋回角速度达到定常值时，记录相应的角速度r r 和舵角和舵角和舵角和舵角 ；(4)(4)将舵角改变一个规定的角度，再重复测量角速度将舵角改变一个规定的角度，再重复测量角速度将舵角改变一个规定的角度，再重复测量角速度将舵角改变一个规定的角度，再重复测量角速度r r 和舵角和舵角和舵角和舵角 ，以，以，以，以1515舵角为例，依次改变舵角从右舵角为例，依次改变舵角从右舵角为例，依次改变舵角从右舵角为例，依次改变舵角从右1515右右右右1010右右右右55右右右右33右右右右1100左左左左11左左左左33左左左左55左左左左1010左左左左1515左左左左1010左左左左55左左左左33左左左左1100右右右右11右右右右33右右右右55右右右右1010右右右右1515，舵角变化一周，回到开始值时，可结束一次试验。舵角变化一周，回到开始值时，可结束一次试验。舵角变化一周，回到开始值时，可结束一次试验。舵角变化一周，回到开始值时，可结束一次试验。五、螺旋试验五、螺旋试验(Spiral Manoeuvres)2.2.特征参数特征参数特征参数特征参数 舵角相当于一种干扰，当干扰逐渐减小或消失后，试验结果可舵角相当于一种干扰，当干扰逐渐减小或消失后，试验结果可舵角相当于一种干扰，当干扰逐渐减小或消失后，试验结果可舵角相当于一种干扰，当干扰逐渐减小或消失后，试验结果可以把定常旋回角速度作为舵角的函数，得到图以把定常旋回角速度作为舵角的函数，得到图以把定常旋回角速度作为舵角的函数，得到图以把定常旋回角速度作为舵角的函数，得到图1 1和和和和2 2的图形。的图形。的图形。的图形。：五、螺旋试验五、螺旋试验(Spiral Manoeuvres)图图1 1 具有航向稳定性的船舶具有航向稳定性的船舶图图2 2 航向不稳定的船舶航向不稳定的船舶abcd 图图图图1 1中中中中r r 与与与与 具有单值关系，则船舶具有航向稳定性；图具有单值关系，则船舶具有航向稳定性；图具有单值关系，则船舶具有航向稳定性；图具有单值关系，则船舶具有航向稳定性；图2 2中中中中r r 与与与与 不具有单值关系。在舵角处于不具有单值关系。在舵角处于不具有单值关系。在舵角处于不具有单值关系。在舵角处于a a、b b之间时，角速度约在之间时，角速度约在之间时，角速度约在之间时，角速度约在c c、d d之之之之间，间，间，间，r r 与与与与 关系构成一个回环，通常称为螺旋试验的滞后环。关系构成一个回环，通常称为螺旋试验的滞后环。关系构成一个回环，通常称为螺旋试验的滞后环。关系构成一个回环，通常称为螺旋试验的滞后环。五、螺旋试验五、螺旋试验(Spiral Manoeuvres)图图1 1 具有航向稳定性的船舶具有航向稳定性的船舶图图2 2 航向不稳定的船舶航向不稳定的船舶abcd 在滞后环范围内，舵角由右舵变化到在滞后环范围内，舵角由右舵变化到在滞后环范围内，舵角由右舵变化到在滞后环范围内，舵角由右舵变化到0 0时，对应的角速度不等时，对应的角速度不等时，对应的角速度不等时，对应的角速度不等于于于于0 0，而为，而为，而为，而为c c点之值，船舶仍然向右转动。而当舵角变为左舵时，只点之值，船舶仍然向右转动。而当舵角变为左舵时，只点之值，船舶仍然向右转动。而当舵角变为左舵时，只点之值，船舶仍然向右转动。而当舵角变为左舵时，只要要要要 a a，船舶仍然具有右转的角速度。这就是常说的反操现象。直，船舶仍然具有右转的角速度。这就是常说的反操现象。直，船舶仍然具有右转的角速度。这就是常说的反操现象。直，船舶仍然具有右转的角速度。这就是常说的反操现象。直到到到到 达到达到达到达到a a时，船舶突然开始向左转向，其后进入正常的左舵左转状时，船舶突然开始向左转向，其后进入正常的左舵左转状时，船舶突然开始向左转向，其后进入正常的左舵左转状时，船舶突然开始向左转向，其后进入正常的左舵左转状态。反之，船舶从左向右变化时，又重复上述过程。滞后环的宽度态。反之，船舶从左向右变化时，又重复上述过程。滞后环的宽度态。反之，船舶从左向右变化时，又重复上述过程。滞后环的宽度态。反之，船舶从左向右变化时，又重复上述过程。滞后环的宽度和高度是衡量船舶运动稳定性的标志，在滞后环以外，船舶运动是和高度是衡量船舶运动稳定性的标志，在滞后环以外，船舶运动是和高度是衡量船舶运动稳定性的标志，在滞后环以外，船舶运动是和高度是衡量船舶运动稳定性的标志，在滞后环以外，